De toekomst vanelektro-optische modulatoren
Elektro-optische modulatoren spelen een centrale rol in moderne opto-elektronische systemen en spelen een belangrijke rol op veel gebieden, van communicatie tot kwantumcomputers, door de eigenschappen van licht te reguleren. Dit artikel bespreekt de huidige status, de nieuwste doorbraak en toekomstige ontwikkeling van elektro-optische modulatortechnologie
Figuur 1: Prestatievergelijking van verschillendeoptische modulatortechnologieën, waaronder dunne-film lithiumniobaat (TFLN), III-V elektrische absorptiemodulatoren (EAM), op silicium gebaseerde en polymeermodulatoren in termen van insertieverlies, bandbreedte, energieverbruik, omvang en productiecapaciteit.
Traditionele op silicium gebaseerde elektro-optische modulatoren en hun beperkingen
Op silicium gebaseerde foto-elektrische lichtmodulatoren vormen al vele jaren de basis van optische communicatiesystemen. Op basis van het plasmadispersie-effect hebben dergelijke apparaten de afgelopen 25 jaar opmerkelijke vooruitgang geboekt, waardoor de gegevensoverdrachtsnelheden met drie ordes van grootte zijn toegenomen. Moderne op silicium gebaseerde modulatoren kunnen 4-niveaus pulsamplitudemodulatie (PAM4) bereiken tot 224 Gb/s, en zelfs meer dan 300 Gb/s met PAM8-modulatie.
Op silicium gebaseerde modulatoren worden echter geconfronteerd met fundamentele beperkingen die voortkomen uit materiaaleigenschappen. Wanneer optische transceivers baudsnelheden van meer dan 200+ Gbaud vereisen, is de bandbreedte van deze apparaten moeilijk om aan de vraag te voldoen. Deze beperking vloeit voort uit de inherente eigenschappen van silicium: de balans tussen het vermijden van overmatig lichtverlies en het behouden van voldoende geleidbaarheid zorgt voor onvermijdelijke afwegingen.
Opkomende modulatortechnologie en materialen
De beperkingen van traditionele op silicium gebaseerde modulatoren hebben onderzoek naar alternatieve materialen en integratietechnologieën gestimuleerd. Dunnefilmlithiumniobaat is een van de meest veelbelovende platforms geworden voor een nieuwe generatie modulatoren.Elektro-optische modulatoren met dunne film-lithiumniobaatde uitstekende eigenschappen van bulklithiumniobaat erven, waaronder: breed transparant venster, grote elektro-optische coëfficiënt (r33 = 31 pm/V) lineaire cel Kerrs-effect kan in meerdere golflengtebereiken werken
Recente ontwikkelingen in de dunne-film-lithiumniobaattechnologie hebben opmerkelijke resultaten opgeleverd, waaronder een modulator die werkt op 260 Gbaud met datasnelheden van 1,96 Tb/s per kanaal. Het platform heeft unieke voordelen, zoals CMOS-compatibele aandrijfspanning en een bandbreedte van 3 dB van 100 GHz.
Opkomende technologietoepassing
De ontwikkeling van elektro-optische modulatoren hangt nauw samen met opkomende toepassingen op veel gebieden. Op het gebied van kunstmatige intelligentie en datacentrahogesnelheidsmodulatorenzijn belangrijk voor de volgende generatie interconnecties, en AI-computertoepassingen stimuleren de vraag naar inplugbare 800G- en 1,6T-zendontvangers. Modulatortechnologie wordt ook toegepast op: kwantuminformatieverwerking neuromorfisch computergebruik Frequentiegemoduleerde continue golf (FMCW) lidar microgolffotontechnologie
Met name dunne-film lithiumniobaat elektro-optische modulatoren tonen hun kracht in optische computationele verwerkingsmotoren, en bieden snelle modulatie met laag vermogen die machine learning en kunstmatige intelligentie-toepassingen versnelt. Dergelijke modulatoren kunnen ook bij lage temperaturen werken en zijn geschikt voor kwantumklassieke interfaces in supergeleidende lijnen.
De ontwikkeling van de volgende generatie elektro-optische modulatoren staat voor verschillende grote uitdagingen: Productiekosten en schaal: dunne-film lithiumniobaatmodulatoren zijn momenteel beperkt tot de productie van wafers van 150 mm, wat resulteert in hogere kosten. De industrie moet de wafelgrootte uitbreiden met behoud van de filmuniformiteit en -kwaliteit. Integratie en Co-design: de succesvolle ontwikkeling vankrachtige modulatorenvereist uitgebreide mogelijkheden voor co-ontwerp, waarbij de samenwerking wordt betrokken van ontwerpers van opto-elektronica en elektronische chips, EDA-leveranciers, bronnen en verpakkingsexperts. Complexiteit van de productie: Hoewel op silicium gebaseerde opto-elektronische processen minder complex zijn dan geavanceerde CMOS-elektronica, vereist het bereiken van stabiele prestaties en rendement aanzienlijke expertise en optimalisatie van het productieproces.
Gedreven door de opkomst van AI en geopolitieke factoren ontvangt het vakgebied steeds meer investeringen van overheden, de industrie en de particuliere sector over de hele wereld, waardoor nieuwe mogelijkheden ontstaan voor samenwerking tussen de academische wereld en de industrie en de belofte wordt gedaan om de innovatie te versnellen.
Posttijd: 30 december 2024